PRÁCTICA No. 3a Y 3b: PÉRDIDAS POR FRICCIÓN EN TUBERÍAS, CON FLUJO LAMINAR Y FLUJO TURBULENTO

DESCRIPCIÓN DEL TEMA:

Cuando un fluido circula a través de una tubería, su contenido total de energía va disminuyendo paulatinamente, debido a la intervención de las tensiones de corte provocadas por la viscosidad del fluido. Esta pérdida de energía recibe el nombre de pérdida primaria, se registra sólo en los tramos rectos de la tubería y tiene gran importancia en el comportamiento energético del fluido. La magnitud de las pérdidas en una tubería dada es bastante diferente si el flujo es laminar o es turbulento, por lo que es indispensable conocer previamente qué tipo de flujo se presenta en cada caso.

El cálculo de las pérdidas se puede efectuar utilizando la ecuación de Darcy-Weisbach, que establece:

hL = (f L v ) / (2 g Φ), donde:

hL = pérdida primaria de energía, (m)

f = factor de fricción

L = longitud de la tubería, (m)

v = velocidad promedio en la sección transversal del conducto, (m/s)

g = aceleración de la gravedad, 9.81 (m/s2)

Φ = diámetro de la tubería, (m)

Cuando el flujo es laminar el factor de fricción se calcula con la expresión:

f= 64 / Re

Para un flujo turbulento, el factor de fricción se determina utilizando el diagrama de Moody, conociendo los valores de Número de Reynolds y la rugosidad relativa de la tubería. También se puede calcular empleando la siguiente ecuación:

Ilustración flujo laminar (arriba) y flujo turbulento (abajo).

ε = Rugosidad de la tubería

Re = Número de Reynolds

D = Diámetro interno de la tubería

OBJETIVOS:

- Determinar las pérdidas primarias con flujo Laminar.

- Determinar el Factor de Fricción experimental del tubo.

- Comparar el factor de fricción experimental con el teórico.

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO:

El HM 150.01 permite estudiar la relación entre la pérdida de carga como consecuencia de la fricción en fluidos y la velocidad en el flujo del tubo, además se determinar el factor de fricción del tubo.
El equipo de ensayo posee una sección de tubo de pequeño diámetro en el que se genera un flujo laminar o turbulento. A partir del caudal y la pérdida de carga se determina el número de Reynolds y el factor de fricción del tubo. Con el flujo turbulento, la tubería es alimentada directamente desde la alimentación de agua; con el flujo laminar, un tubo vertical en el rebosadero se encarga de la presión inicial constante necesaria. El caudal puede regularse por medio de válvulas.
Las presiones en el flujo laminar son registradas con 2 tubos manométricos. La presión en el flujo turbulento es leída en un manómetro de aguja.
El equipo de ensayo se coloca de forma sencilla y segura sobre la superficie de trabajo del módulo básico HM 150. El suministro de agua y la medición de caudal se realizan a través del HM 150. Como alternativa, el equipo de ensayo también se puede conectar a la red del laboratorio.

Manómetros de columna de agua

Manómetro de aguja y manómetros de columna de agua

DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA:

La prueba consistió en hacer circular agua por medio del módulo HM 150.01, conectando la manguera de salida de la bomba en la tubería correspondiente, y la manguera de salida del HM 150.01 al tanque del módulo básico. Se abren las válvulas indicadas para flujo laminar (N° 10 y 11) y para permitir la salida de fluido del módulo (N° 2), y se cierran las que permiten el flujo turbulento (N° 7 y 8).

Al poner en servicio la bomba, se tuvo que regular el caudal para que este tuviera un nivel constante en la salida del depósito, y ajustarlo de tal forma que el medidor de baja presión indicara un valor cercano a los 2 centímetros de columna de agua y la velocidad de salida fuera muy baja (menor a 0,72 m/s).

Se midió el caudal de trabajo, tomando el tiempo que se tarda para llenar un volumen determinado de líquido en la jarra suministrada. Con el valor del caudal se calculó la velocidad, el número de Reynolds, el factor de fricción teórico y las pérdidas teóricas en la tubería para flujo laminar.

Imágenes del posicionamiento de las mangueras y válvulas para la determinación de las pérdidas por fricción en flujo laminar

En la segunda parte de la práctica de pérdidas por fricción, se hizo circular agua por medio del módulo HM 150.01, conectando la manguera de salida de la bomba en la tubería correspondiente, y la manguera de salida del HM 150.01 al tanque del módulo básico. Se abre la válvula indicada para flujo turbulento (N° 7) y para permitir la salida de fluido del módulo (N° 2), y se cierran las que permiten el flujo laminar (N° 10 y 11).

Al poner en servicio la bomba, se tuvo que regular el caudal de tal forma que el manómetro indicara una presión cercana a los 0,2 Bares y la velocidad de salida fuera alta (mayor a 0,72 m/s).

El agua fue circulada a través de una tubería que posee un factor de rugosidad y de fricción específico. Al pasar por esta tubería el flujo de agua genera unas perdidas las cuales se ven reflejadas en una variación de la presión. Con los valores registrados de variación de presión, se determinaron las pérdidas experimentales en la tubería.

Imágenes del posicionamiento de las mangueras y válvulas para la determinación de las pérdidas por fricción en flujo turbulento

Video explicativo del funcionamiento del equipo para determinar las pérdidas por fricción en flujo laminar y turbulento

DATOS Y CÁLCULOS OBTENIDOS:

PRÁCTICA No. 3a

PÉRDIDAS POR FRICCIÓN EN TUBERÍAS, CON FLUJO LAMINAR

PRÁCTICA No. 3b

PÉRDIDAS POR FRICCIÓN EN TUBERÍAS, CON FLUJO TURBULENTO

ANÁLISIS DE RESULTADOS:

Las pérdidas primarias son ocasionadas por la fricción del fluido sobre las paredes del ducto y se manifiestan con una caída de presión, por lo que se puede inferir que las pérdidas de carga se encuentran relacionadas proporcionalmente con la velocidad, y por consecuencia con el caudal, haciéndose evidente que el aumento de este factor produce una elevación en las caídas de presión, y se presenta también un mayor número de Reynolds, el cual depende de la viscosidad y el diámetro, y además influye en el cálculo del factor de fricción.

Se observó también que el diámetro y la pérdida de carga están inversamente relacionados a diferencia de la primera relación de proporcionalidad encontrada entre el caudal y las pérdidas de carga.

El factor de fricción depende de la velocidad, el diámetro de tubería, la densidad, la viscosidad y de la rugosidad de la superficie del conducto (en el flujo turbulento) la cual depende a su vez, del tipo de material y del acabado del mismo. Este factor es mayor para flujos turbulentos.

Otro factor determinante a la hora de medir las pérdidas por fricción es la longitud de la tubería, puesto que si esta llegase a aumentar las caídas de presión serían mayores, lo cual verifica que existe una proporción entre la longitud y las pérdidas de presión. .

La rugosidad es un factor relevante al analizar las perdidas por fricción debido a que un mismo valor de rugosidad puede ser importante en tubos de pequeños diámetros y ser insignificante en un tubo de gran diámetro, es decir, la influencia de la rugosidad depende del tamaño del tubo.

En las pérdidas por flujo turbulento, se pudo observar un error en la toma de datos para determinar el caudal 2 (error en toma tiempo 2 o volumen 2), por lo cual, al determinar los valores para el caudal, la velocidad, el número de Reynolds, el factor de fricción teórico y las pérdidas teóricas, estos difieren en gran medida de los resultados hallados con los datos de volumen 1 y tiempo 1.

Se analiza que las pérdidas primarias obtenidas en la tubería con un régimen de flujo laminar, fueron bajas, a comparación de las pérdidas por flujo turbulento.

CONCLUSIONES:

Cuando se presenta una disminución en la velocidad del fluido, se presenta un aumento en la pérdida de energía primaria causada por la intervención de las tensiones de corte provocadas por la viscosidad del fluido.
Cuando la velocidad del fluido aumenta, el factor de fricción de la tubería disminuye, ya que el fluido genera un menor contacto con la superficie interna de la tubería.
Existe una relación directamente proporcional entre las perdidas, el caudal y el cambio de presión, ya que si el caudal o la presión aumentan, las pérdidas también lo harán.
El principal factor de caída de presión en el régimen laminar es la viscosidad del líquido, y en el régimen turbulento se debe a velocidades relativamente altas y en forma predominante a la rugosidad del tubo.
Se observó que las pérdidas de carga en una tubería están estrechamente ligadas con: el estado de la tubería, presencia de corrosión, rugosidad de las paredes, velocidad del fluido, longitud de la tubería y diámetro de la tubería.
Se analizó la proporcionalidad existente entre la velocidad de flujo, el caudal y las pérdidas de carga.
De acuerdo a los procedimientos realizados se encontró una cercana aproximación de los datos obtenidos experimentalmente con respecto a los teóricos, presentando pequeñas variaciones debido a los factores mencionados anteriormente que la teórica idealiza, resaltando la exactitud y precisión en la realización de la práctica.
Se relacionó el fenómeno de la variación de las pérdidas de carga con el caudal, evidenciando que a medida que el caudal aumenta las pérdidas son mayores, porque se incrementan las velocidades de flujo.

REFERENCIAS:

* MOTT, R. (2006). MECANICA DE FLUIDOS. MEXICO: PEARSON EDUCATION.

* FRANCINI. (2000). Mecánica de Fluidos con aplicaciones en Ingeniería. MADRID: MC GRAW HILL.